中文版
English
肆意排放的高氨氮含量的集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水往往會(huì)加劇鄰近水域水體富營養(yǎng)化，導(dǎo)致養(yǎng)殖水體及周圍水域生態(tài)嚴(yán)重失衡及環(huán)境急速惡化。集約化養(yǎng)殖廢水中高氨氮污染源的來源主要為養(yǎng)殖對象的排泄物和殘余的食料。目前國內(nèi)針對處理集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的高氨氮一般采用傳統(tǒng)的污水 處理方法，這類處理工藝流程往往占地面積較大，且能耗也較大。本文運(yùn)用新型的處理方法——電極生物膜法，同時(shí)利用亞硝化細(xì)菌實(shí)行短程硝化反硝化脫氮的特點(diǎn)，為高氨氮養(yǎng)殖廢水的處理提供參考。
電極生物膜法改變傳統(tǒng)的外部供氧供氫方式，通過反應(yīng)器內(nèi)部電解產(chǎn)生的氧氣和氫氣作為反應(yīng)供體，大大提高了轉(zhuǎn)化效率，而且可通過調(diào)節(jié)電流控制反應(yīng)速率。短程電極生物膜工藝流程簡單、水力停留時(shí)間短、占地面積小、運(yùn)行穩(wěn)定，非常有應(yīng)用價(jià)〕。
1 實(shí)驗(yàn)裝置
采用圖 1所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
反應(yīng)器為自主設(shè)計(jì)的雙層玻璃器皿，尺寸為D 140mm×1100mm，有效容積為12.3L，中間設(shè)一隔板將其均分為硝化區(qū)和反硝化區(qū)，底部連通。硝化區(qū)上端敞口構(gòu)成好氧區(qū)，陽極和陰極各為1根碳棒;反硝化區(qū)上端用20 mm泡沫封好密封構(gòu)成缺氧區(qū)，陽極為1根碳棒，陰極由4根碳棒并聯(lián)組成。碳棒的長度均為1 000 mm，浸水長度810 mm，碳棒的直徑11 mm，用0.5 cm厚的活性炭纖維(ACF)包裹。硝化和反硝化過渡區(qū)采用石英砂為填料(厚約75 cm)，阻隔氧氣進(jìn)入反硝化區(qū)，保證缺氧環(huán)境。取水口1取樣檢測pH、NO2--N、NO3--N，取水口2取樣檢測pH、NO2--N、NO3--N、氨氮。
圖 1 電極生物膜法反應(yīng)器裝置
1—超級(jí)恒溫槽；2—反應(yīng)器；3—燒瓶；4—TH_CS2直流數(shù)顯恒流直流電源；5—陰極；6—陽極；7—活性炭顆粒；8—78-1型磁力攪拌器。
2 培養(yǎng)、純化及馴化
培養(yǎng)：定期加入(NH4)2SO4，使氨氮質(zhì)量濃度為400mg/L，以乙酸為碳源，C/N維持為1，并添加適量微量元素。經(jīng)過20d的培養(yǎng)，在硝化區(qū)陽極碳棒的活性炭纖維周圍均勻分布黃色絮體，反硝化區(qū)陰極碳棒的活性炭纖維周圍均勻分布淺黃色、海綿狀絮體，認(rèn)定掛膜已成功。
純化：純化過程控制的溫度為(30±1)℃，pH為7.5~8.5，定期加入模擬水樣，模擬水樣由自來水、(NH4)2SO4、CH3COONa、KH2PO4組成，其中氨氮質(zhì)量濃度400mg/L，C/N為1，經(jīng)過15 d培育后，得出硝化區(qū)的亞硝化率大于50%，認(rèn)為純化成功。
馴化：在純化的基礎(chǔ)上，硝化區(qū)和反硝化區(qū)分別接通直流電進(jìn)行馴化，硝化區(qū)和反硝化區(qū)保持電流在40mA，并定期加入模擬水樣。經(jīng)過連續(xù)15 d的培養(yǎng)，檢測到氨氮的去除率達(dá)到50%，認(rèn)定馴化完成。
3 分析方法
DO：溶解氧儀法;pH：pH計(jì)測量法;氨氮：納氏試劑比色法;NO2--N：N-(1-萘基)-乙二胺光度法;NO3--N：酚二磺酸光度法;溫度：溫度計(jì)測量法。
4 結(jié)果與分析
影響本實(shí)驗(yàn)的因素有pH、DO、C/N、溫度、HRT、電流和氨氮濃度等。實(shí)驗(yàn)中控制水樣流量為12L/d。由于反硝化階段環(huán)境密閉，可近似認(rèn)為反硝化階段DO小于0.5mg/L，同時(shí)反應(yīng)過程中pH維持在6~9，這一區(qū)間正好適宜硝化菌和反硝化菌的生長。硝化區(qū)的電流保持在40 mA。
4.1 pH對處理效果的影響
在正交實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，取氨氮初始質(zhì)量濃度為400mg/L，溫度為35℃，反硝化區(qū)的電流為100mA，C/N為1，使用1mol/L的HCl或NaOH分別調(diào)節(jié)pH為4、5、6、7、8、9、10、11、12，測定6h后的氨氮濃度，結(jié)果表明，亞硝化菌和反硝化菌對pH變化十分敏感，反硝化菌的適宜pH為7~9，亞硝化菌的適宜pH為8~10，當(dāng)pH低于5和高于12時(shí)，去除率均低于30%。pH=8時(shí)，氨氮的去除率最高。
4.2 溫度對處理效果的影響
當(dāng)反硝化區(qū)通以直流電流100mA，固定氨氮質(zhì)量濃度為400mg/L，C/N為1，HRT=6h，考察溫度變化對處理效果的影響。結(jié)果表明，亞硝化菌和反硝化菌對溫度的變化同樣十分敏感，在本實(shí)驗(yàn)中亞硝化菌是優(yōu)勢菌，氨氮的去除率隨亞硝化菌處理能力的增加而增加，硝化反應(yīng)的適宜溫度為30~40℃，低于或高于該溫度段，硝化效果均下降，在5℃時(shí)幾乎停止;反硝化反應(yīng)的適宜溫度為25~35℃。這主要是因?yàn)橹挥性谶m宜的溫度范圍內(nèi)，細(xì)菌體內(nèi)酶的活性才得以充分發(fā)揮，代謝加快，轉(zhuǎn)化率增加。
4.3 反硝化區(qū)電流對處理效果的影響
當(dāng)控制溫度為35 ℃，氨氮質(zhì)量濃度為400 mg/L，C/N為1，改變反硝化區(qū)的電流分別為0、20、40、60、80、100、120 mA，處理6 h后，考察電流對處理效果的影響，結(jié)果見圖 2。
圖 2 反硝化區(qū)電流變化對處理效果的影響
從圖 2可以看出，亞硝化菌和反硝化菌對電流變化有一定的感應(yīng)，在本實(shí)驗(yàn)中電流100mA是一個(gè)界限，在100mA以內(nèi)硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的去除率隨電流的增加而明顯提高;而超過100mA時(shí)，硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的去除率均出現(xiàn)隨電流的增加而降低現(xiàn)象，其中，對硝酸鹽氮影響更明顯。產(chǎn)生界限的原因主要是反應(yīng)器有個(gè)電流極限(電流極限與反應(yīng)的容積有關(guān))，電流極限以內(nèi)的低電流能促進(jìn)反硝化反應(yīng)。造成超過極限電流時(shí)反硝化能力下降的原因有兩個(gè)方面：(1)電流越大，反硝化菌被電死的概率越大;(2)超過電流極限，陰極產(chǎn)生的氫過多，在生物膜內(nèi)形成“氫抑制”現(xiàn)象，抑制反硝化進(jìn)行。
4.4 C/N對處理效果的影響
當(dāng)控制溫度為35 ℃，氨氮質(zhì)量濃度為400 mg/L，反硝化區(qū)的電流為100 mA時(shí)，處理6 h，考察C/N對處理效果的影響，結(jié)果見圖 3。
圖 3 不同的C/N對處理效果的影響
從圖 3可以看出，C/N越大，硝化和反硝化的效果越好，當(dāng)C/N超過1時(shí)，處理率均在90%以上，而當(dāng)C/N小于0.5時(shí)，處理效果相對來說差很多。究其原因主要是：亞硝酸菌為自養(yǎng)型微生物，增加碳源可促進(jìn)亞硝化細(xì)菌的生長，進(jìn)而提高氨氮向亞硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化率，使反硝化段進(jìn)水中的亞硝酸鹽氮濃度增加，為反硝化過程提供了充足的底物;在反硝化區(qū)C/N增大，則增大了電子供體，促進(jìn)反硝化的順利進(jìn)行。結(jié)合處理效果和成本，C/N最佳值為1。
4.5 HRT對處理效果的影響
當(dāng)控制溫度為35 ℃，反硝化區(qū)的電流為100 mA，氨氮質(zhì)量濃度為400 mg/L，C/N為1時(shí)，考察HRT對處理效果的影響，結(jié)果見圖 4。
圖 4 水力停留時(shí)間對處理效果的影響
從圖 4可以看出，剛開始的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)氨氮和硝酸鹽氮的去除速率增長很快，而HRT=3 h時(shí)，亞硝酸鹽氮出現(xiàn)了積累，當(dāng)HRT=6 h時(shí)，所有的測試項(xiàng)目的去除率均達(dá)到了90%以上，并且呈現(xiàn)隨HRT的增加，去除率增大。
4.6 氨氮負(fù)荷對脫氮效果的影響
當(dāng)控制溫度為35 ℃，反硝化區(qū)的電流為100 mA，C/N為1，處理6 h后，考察氨氮負(fù)荷對脫氮效果的影響，結(jié)果見圖 5。
圖 5 氨氮負(fù)荷對處理效果的影響
從圖 5可以看出，在進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度為500mg/L以下時(shí)，氨氮的去除率在90%以上，超過500mg/L，去除率低于90%，氨氮的去除率隨氨氮濃度的增加呈直線下降。主要是電解電流有限，隨著氨氮負(fù)荷的增加，硝酸鹽氮出現(xiàn)了大量的積累，從而限制了脫氮能力。
4.7 實(shí)際水樣的處理效果
利用本裝置，取衡陽市某甲魚養(yǎng)殖場的養(yǎng)殖廢水進(jìn)行處理，測量該廢水中的氨氮為385.6mg/L，控制溫度為35℃，反硝化區(qū)的電流為100mA，進(jìn)水的 C/N為1。處理結(jié)果見圖 6。
圖 6 實(shí)際水樣的處理效果
從圖 6可以看出，當(dāng)處理時(shí)間超過6h后氨氮的去除率達(dá)到93.5%以上，但相對于模擬水樣的98.5%有一定的差距，影響的原因是實(shí)際水樣中的螺旋藻及其他藻類物質(zhì)對氨氮的去除有一定的影響。
5 結(jié)束語
(1)pH是決定亞硝化菌或硝化菌成為優(yōu)勢菌的主要因素，當(dāng)pH=8時(shí)，氨氮的去除率最高。
(2)結(jié)合亞硝化菌和反硝化菌的適宜生長溫度特點(diǎn)，硝化與反硝化過程同容器的生物膜電極反應(yīng)器的最佳溫度為35℃。
(3)采用短程電極生物膜法后，相對于同反應(yīng)器進(jìn)行的非短程處理工藝，HRT從8h縮短至6h，6h后的氨氮去除率分別達(dá)到98.5%。
本實(shí)驗(yàn)沒有對水體中的螺旋藻及其他藻類物質(zhì)的影響做進(jìn)一步研究，這將成為改善本實(shí)驗(yàn)條件的一個(gè)發(fā)展方向。